炮泥碼垛設備的設計與研究

蔡云， 范虎軍， 趙傳奇

(1.永城職業(yè)學院，河南 永城476600；2.神火集團新莊礦, 河南 永城476600)

0 引 言

碼垛作業(yè)在廠礦企業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位[1-5], 其中炮泥在煤礦開采進行炮采工作面時被大量使用。某大型煤礦企業(yè)采用傳統(tǒng)炮泥機生產(chǎn)，人工切斷、裝箱，作業(yè)時需頻繁彎腰和重復勞作，不但勞動強度高，而且效率低，且排列不整齊[6]，裝箱率低，整個過程至少需要3名工人，迫切要求實現(xiàn)機械化和自動化生產(chǎn)，如果采用工業(yè)機器人不但成本高，而且對于炮泥這種易變形的圓柱形小件，也不易實現(xiàn)。為了提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，根據(jù)設備的生產(chǎn)要求設計了自動碼垛工藝路線，確定了機構尺寸及相對位置關系，設備能以較快的速度進行碼垛，完成碼垛工序，整個炮泥的生產(chǎn)、碼垛的運行只需要1個人就能實現(xiàn)，從而大大減少了工人的數(shù)量，降低了工人的勞動強度，具有顯著的經(jīng)濟和實際應用價值[7-8]。

1 碼垛設備工作過程和總體結構

在實際生產(chǎn)中，許多碼垛機械手采用的是氣動技術和PLC控制技術[9-10]，該設計也是如此，炮泥運動到預定位置時，觸發(fā)傳感器，傳感器將信號傳遞到主控制器上，主控制器發(fā)出信號，控制執(zhí)行裝置動作，從而完成碼垛任務[11-12]。炮泥自動碼垛設備可自動完成炮泥切斷、撥入傳送帶、滾靠擋板、推進箱體、箱體下降等工序。圖1為設備總裝圖，主要包括切撥裝置、主體裝置、箱體升降裝置3大部分，由過渡口、傳送帶、推板、箱體及間歇切撥機構、電控系統(tǒng)等組成。其主要工作流程為：炮泥機擠出炮泥泥坯，炮泥坯達到需要的尺寸，光電檢測機構檢測到信號，切撥機構間歇回轉，切斷炮泥并將其撥入過渡口落入傳送帶，電動機通過滾筒驅動傳送帶運轉，托輥支撐傳送帶，炮泥被輸送帶傳送至箱體旁邊的適當位置，傳感器檢測到信號，傳遞信號到主控器，主控器控制側推氣缸，活塞桿推動側板，將多個炮泥同時推送至箱體內(nèi)合適位置，設置這些炮泥數(shù)量剛好布滿箱體一層，通過導軌機構、氣缸等裝置，使盛放炮泥的箱體下移一個炮泥直徑的高度，如此反復，裝滿一箱，計數(shù)報警器提醒工人換箱，氣缸升至最高點，重復裝箱，實現(xiàn)各機構之間的協(xié)調(diào)動作。碼垛速度由裝料速度、炮泥機設置等確定，可根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)節(jié)。

圖1 炮泥碼垛裝置總體裝配圖

2 主要組成裝置的工作原理

2.1 主體構架運行分析

主體構架包括傳動裝置和側推裝置。如圖1所示，傳動裝置主要由主體框架、滾筒、承載托輥組、回程托輥組、傳送帶、擋板等零件組成。在傳動裝置的前側安裝有前滾筒，在后側安裝有后滾筒，前后滾筒之間裝有托輥。炮泥由過渡口落到稍傾斜的傳送帶上，滾靠在擋板上，經(jīng)傳送帶送至預定位置，傳感器檢測到信號，將信號傳遞到主控制器上，主控裝置發(fā)出信號，控制氣缸動作，在氣壓的作用下，活塞向側推板下施加一推力，側推板快速將炮泥推到指定箱體合適的位置。

2.2 炮泥箱升降裝置工作原理

炮泥箱升降裝置結構如圖2所示，主要由直線導軌、滑塊、炮泥箱底座、氣缸、氣缸支撐板等零部件組成。炮泥箱限位板起限定箱子位置作用，保證每次箱體都放置在準確位置，側推裝置將炮泥推進箱，氣缸行程固定。工作時傳感器檢測到需要推進炮泥的信號，將信號傳遞到主控制器上，主控裝置發(fā)出命令，控制側推板氣缸動作，隨后側推板返回原位置，推箱氣缸3帶動箱體下降一個炮泥直徑尺寸的高度，到達合適位置。重復動作，當箱體內(nèi)儲量達到一定數(shù)量和高度后，計數(shù)器進行預警，更換箱體。

2.3 切撥裝置結構及運行分析

切撥裝置安裝在主體架平臺與炮泥坯支撐臺之間的支撐架上（如圖1）。切撥裝置結構如圖3所示，炮泥坯支撐臺左右兩側分別設有側擋板，兩片側擋板呈V形，形成可以放置泥條的槽。切撥裝置主要由4 把切斷刀、4個撥齒和傳動軸組成。在傳動軸周向上均布4 把切泥刀，4個撥齒沿周向均布，滯后撥齒45°，其截面為弧形撥桿狀。炮泥從炮泥機生產(chǎn)出來，到達炮泥坯支撐平臺，在炮泥坯支撐臺的前方設有光電檢測機構，炮泥坯達到需要的尺寸，光電檢測機構檢測到信號，傳輸給主控器，主控器控制伺服電動機轉動，使切撥軸轉動1/4周，切泥刀的鋼絲條沿中心軸轉動將炮泥切斷，隨后撥齒將炮泥撥離炮泥支撐平臺，落入傳送帶。

圖2 炮泥箱升降裝置結構圖

圖3 切撥裝置

3 主要技術參數(shù)分析

3.1 傳送帶尺寸及安裝位置

安息角對于膠帶輸送機的參數(shù)計算具有重要的意義[13]。炮泥從炮泥機出來，落入傳送帶，能沿皮帶的斜坡滾下，既能保證炮泥緊挨防滑擋板或已排列炮泥，又能讓炮泥不至于滾動過快撞擊已經(jīng)排好的炮泥或擋板而損傷，因此令傳送帶傾斜角度稍大于安息角，炮泥下落到皮帶上平穩(wěn)下滾，從而保證炮泥能緊密有序排列。在膠帶輸送機中，輸送帶的傾角取決于被輸送的物料與輸送帶之間的滾動摩擦因數(shù)[14]。炮泥在皮帶上是滾動摩擦，炮泥在自重的作用下滾動，根據(jù)中心動力滾動摩擦因數(shù)的計算公式[15]為

將黏土的彈性模量E=4.4 MPa，黏土的抗壓強度σbc=0.28 MPa, 代入式（1），計算滾動摩擦因數(shù)fHG=0.0008。根據(jù)最大滾動摩擦力偶矩公式Mmax=NfHG得，Mgsin θ×0.0185=mgcos θ×0.008，求出tan θ=0.043，θ≈2.47°，該設計設置皮帶實際傾斜角θ取為2.5°。

3.2 側推板、箱體底座尺寸

炮泥尺寸：直徑為φ37 mm，長度為150 mm，考慮到單邊需要留出一定的余量，皮帶的寬度為160 mm，長度為1900 mm。防止炮泥發(fā)生偏斜的固定在皮帶上的防滑擋塊寬為5 mm，高為5 mm，擋塊長度取100 mm。為了保證平穩(wěn)的將炮泥推進炮泥箱體中，采用兩個氣缸和兩個側推板每次推10根炮泥，所以推板高為30 mm，寬為180 mm。安裝時箱體末端距前端滾筒中心距為755 mm，箱體、推板和傳送帶之間需要留有小間隙，設置為2 mm，側推板行程取165 mm，加上慣性作用，炮泥會完全整齊地進入箱體。

根據(jù)炮泥尺寸，箱體容長為389 mm，容寬為160 mm，容高為380 mm，箱體厚為2 mm，考慮箱體的定位準確性、裝取方便性，箱體底座長為395 mm，寬為162 mm。

4 結 論

本文設計的炮泥碼垛設備是一種新穎、實用的新型碼垛專用設備，能夠完成易變形的小型圓柱件的拾取與裝箱問題，省去了一根一根地拾取、擺放等繁重的體力勞動，與炮泥機聯(lián)合使用完成炮泥生產(chǎn)機械化和自動化問題，具有很好的市場前景。該炮泥碼垛設備具有以下特點和優(yōu)勢:1）由于各個機構的動作都是通過自動控制來實現(xiàn)，工人對設備進行操作即可完成任務，大大減少工人數(shù)量，降低生產(chǎn)成本和工人的勞動強度；2）該裝置簡單合理，同傳統(tǒng)的碼垛機械手相比,結構簡單、成本低、工作效率高；3）各個裝置的動作基本都是通過氣動裝置來完成，低碳環(huán)保。